JP2010091737A - 光共振器及び波長可変レーザ - Google Patents

Abstract

【課題】波長の制御をより簡単にし、かつ、従来技術よりも、より小型な光共振器及び波長可変レーザを提供すること。
【解決手段】第１、第２及び第３光導波路１２，１４及び１６が交差点Ｐで接続されたＹ分岐光導波路１８を用いた光共振器１０であって、第１光導波路の終端部１２ａに高反射膜２４が設けられていて、第２及び第３光導波路の双方又はいずれか一方に、波長選択手段１９，２０及び２１を備えており、第２光導波路及び第３光導波路の終端部１４ａ及び１６ａの間を光結合可能に接続する光結合導波路２２が設けられている。
【選択図】図１

Description

この発明は、選択波長を変更することができる光共振器及び波長可変レーザに関する。

光波長多重通信システムにおいては、種々の波長の光を発生させる波長可変レーザが多く使用されている。これは、１個の素子で複数の波長に対応することが可能だからである。

この波長可変レーザに関しては従来から種々の構造のものが提案されている（例えば、特許文献１〜９、及び非特許文献１参照。）。

これらの文献に記載された波長可変レーザに共通した特徴点は、半導体光増幅器と、波長可変フィルタとを光共振器の中に組み込んだことである。

近年、波長可変レーザには、（１）小型であること、（２）部品点数が少ないこと、（３）光軸合わせが容易であることなどの特徴が要求され始めている。

このような観点から、非特許文献１に開示されたような光導波路構造を用いた波長可変レーザが注目されている。
特開平１０−２６１８３７号公報 特開２０００−２６１０８６号公報 特開２０００−２２３７４４号公報 特開２００５−３２７８８１号公報 特開２００２−６３５２号公報 特開２００４−７１８０９号公報 特開２００６−１９６５５４号公報 特開２００７−１１５９００号公報 特開２００７−２３４７８６号公報 Ｍ．Ｔａｋａｈａｓｈｉ，ｅｔ．ａｌ．，"Ｔｕｎａｂｌｅ Ｌａｓｅｒｓ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｓｉｌｉｃａ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ Ｒｉｎｇ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒｓ"，ＯＦＣ２００８論文予稿集ＯＷＪ１

非特許文献１に開示された波長可変半導体レーザは、ＦＳＲ（Ｆｒｅｅ Ｓｐｅｃｔｒａｌ Ｒａｎｇｅ）の異なる２個のリング共振器を使用することで、波長透過ピークのバーニア効果で波長を調整することを可能としている。さらに、基準波長を与えるためのリング共振器を組み込み、これとバーニア効果とを利用することで、僅かな屈折率変化で選択される光の波長帯域を約５０ｎｍという広い範囲で変更することが可能である。また、この波長可変レーザは、屈折率差の大きな材料で作成されており、その結果光導波路の曲率を小さくし、約５ｍｍ角のサイズに収めることを可能とした。

しかし、非特許文献１に開示された波長可変レーザは、２個のリング共振器の波長を精密に制御する必要があり、制御回路が複雑になるという問題点が存在した。さらに、非特許文献１に開示された波長可変レーザよりも、より小型な光共振器の実現が望まれていた。

この発明は上述したような問題に鑑みなされたものである。従って、この発明の目的は、屈折率という単独のパラメータを用いて、波長の制御をより簡単にし、かつ、従来技術よりも、より小型な光共振器及び波長可変レーザを提供することにある。

上述した目的の達成を図るために、この発明の発明者は、第１、第２及び第３光導波路が接続されたＹ分岐光導波路を利用して、この第１光導波路の終端部に高反射膜を設け、第２及び第３光導波路の双方又はいずれか一方に、波長選択手段を設け、これら第２及び第３光導波路の終端部間を光結合可能に接続する光結合導波路が設けられた光共振器により上述した目的を達成できることに想到した。

したがって、この発明の光共振器は、第１、第２及び第３光導波路が交差点で接続されたＹ分岐光導波路を用いた光共振器であって、第１光導波路の終端部に高反射膜が設けられていて、第２及び第３光導波路の双方又はいずれか一方に、波長選択手段を備えている。そして、第２光導波路及び第３光導波路の終端部間を光結合可能に接続する光結合導波路が設けられている。

この光共振器の好適な一実施態様として、光結合導波路が、第２光導波路の終端部と、第３光導波路の終端部とを接続する曲がり光導波路であり、曲がり光導波路と、第２及び第３光導波路とで第１周回型光導波路が形成されていることが好ましい。

また、この光共振器の好適な一実施態様として、光結合導波路が、第２周回型光導波路であり、第２及び第３光導波路の終端部のそれぞれが、第２周回型光導波路と光結合可能に配置されていることが好ましい。

また、この光共振器の好適な一実施態様として、第２周回型光導波路と第２及び第３光導波路の終端部との間の光の結合領域に、近接配置された第２周回型光導波路と第２及び第３光導波路とを備えた方向性結合器が設けられていることが好ましい。

また、この光共振器の好適な一実施態様として、波長選択手段がマッハツェンダ干渉器であることが好ましい。

また、この光共振器の好適な一実施態様として、第１〜第ｎマッハツェンダ干渉器（ｎは２以上の整数）が設けられており、第１マッハツェンダ干渉器を構成する２本の光路の間の光路長差をΔＬ１とし、第１マッハツェンダ干渉器に設けられた電極の電極長をＬｅ１としたときに、第ｉマッハツェンダ干渉器（ｉは、１≦ｉ≦ｎの整数）を構成する２本の光路の間の光路長差ΔＬｉ、及び、第ｉマッハツェンダ干渉器に設けられた電極長Ｌｅｉが、ΔＬｉ＝ΔＬ１×２^ｉ−１及びＬｅｉ＝Ｌｅ１×２^ｉ−１で与えられることが好ましい。

また、この光共振器の好適な一実施態様として、第１〜第ｎ−１マッハツェンダ干渉器が第２光導波路に設けられており、及び第ｎマッハツェンダ干渉器が前記第３光導波路に設けられていることが好ましい。

また、この発明の波長可変レーザは、上述した光共振器を用いていて、第１光導波路の終端部と、高反射膜との間に、光増幅器が介在されていることを特徴とする。

この発明は上述のように構成しているので、屈折率という単独のパラメータを用いて、波長の制御をより簡単にし、かつ、従来技術よりも、より小型な光共振器及び波長可変レーザを提供することができる。

以下、図面を参照して、この発明の実施の形態について説明する。なお、各図は、各構成要素の形状、大きさ及び配置関係について、この発明が理解できる程度に概略的に示したものにすぎない。また、以下、この発明の好適な構成例について説明するが、各構成要素の材質及び数値的条件などは、単なる好適例にすぎない。従って、この発明は、以下の実施の形態に何ら限定されない。また、各図において、共通する構成要素には同符号を付し、その説明を省略することもある。

（実施の形態１）
図１〜図５を参照して、実施の形態１の光共振器について説明する。図１は、光共振器の構成を概略的に示す斜視図である。

（構造）
まず、光共振器１０の構造を概略的に説明する。

光共振器１０は、第１、第２及び第３光導波路１２，１４及び１６が交差点Ｐで接続されたＹ分岐光導波路１８を構成要素として備えている。

また、光共振器１０は、第２及び第３光導波路１４及び１６の双方又はいずれか一方に、第１〜第３マッハツェンダ干渉器１９，２０及び２１を波長選択手段として備えている。そして、光共振器１０には、第２光導波路１４及び第３光導波路１６の終端部１４ａ及び１６ａ間を光結合可能に接続する曲がり光導波路２２が光結合導波路として設けられている。

また、光共振器１０は、第１光導波路１２と高反射膜２４との間には、半導体光増幅器２６を光増幅器として備えている。

光共振器１０は、基板２８上に集積されている。より詳細には、高反射膜２４及び半導体光増幅器２６は、基板２８の第１主面２８ａ上に形成されている。高反射膜２４及び半導体光増幅器２６以外の構成要素、すなわちＹ分岐光導波路１８、第１〜第３マッハツェンダ干渉器１９，２０及び２１、及び曲がり光導波路２２は、基板２８の第１主面２８ａ上に積層されたＳｉＯ_２膜３０の内部に作り込まれている。

なお、図１において、Ｙ分岐光導波路１８、第１〜第３マッハツェンダ干渉器１９，２０及び２１、及び曲がり光導波路２２は、ＳｉＯ_２膜３０中に埋め込まれて延在しているが、発明の理解を助けるために実線で示してある。

また、この実施の形態では、マッハツェンダ干渉器１９，２０及び２１が３個の場合、つまりｎ＝３の場合について説明するが、マッハツェンダ干渉器の個数ｎは２個以上であれば、特に限定されず、設計に応じて任意好適な個数を選択することができる。

続いて、光共振器１０の構成要素の詳細を順に説明する。

基板２８は、好ましくは、例えば矩形状の平行平板とする。基板２８を構成する材料は、好ましくは例えば、Ｓｉとする。

高反射膜２４は、従来公知の誘電体多層膜から形成されており、入射した光を９０％以上の反射率で反射する機能を有している。高反射膜２４としては、好ましくは、例えば、ＳｉＮ／ＳｉＯ_２の積層構造を多層にわたって積層した膜を用いる。高反射膜２４は、半導体光増幅器２６の、光を出射する一方の端面に配置されている。

半導体光増幅器２６は、従来公知の半導体レーザ光源であり、図示しない、光が出射される活性層を導電型がｐ型のクラッド層と導電型がｎ型のクラッド層とで挟み込んだ構造を有している。なお、この実施の形態においては、活性層の材料は、好ましくは、例えば波長１．５５μｍ付近の光を発生する、ＩｎＧａＡｓＰとする。

半導体光増幅器２６は、基板２８の第１主面２８ａ上に配置されている。上述したように、半導体光増幅器２６の、光を外部に向けて出射する一方の端面には高反射膜２４が配置されている。半導体光増幅器２６の、光をＳｉＯ_２膜３０側に向けて出射する他方の端面は、Ｙ分岐光導波路１８の第１光導波路１２の終端部１２ａと光結合可能に対向して配置されている。

ＳｉＯ_２膜３０は、基板２８の第１主面２８ａ上に積層されている。ＳｉＯ_２膜３０は、基板２８よりも小サイズの矩形状の平行平板である。ＳｉＯ_２膜３０には、膜中にＹ分岐光導波路１８、マッハツェンダ干渉器１９，２０及び２１、並びに曲がり光導波路２２が作り込まれている。ＳｉＯ_２膜３０は、これらの光を伝播する構成要素に対してクラッドとして機能する。

Ｙ分岐光導波路１８は、第１〜第３光導波路１２，１４及び１６を備えている。これら第１〜第３光導波路１２，１４及び１６の一方の端部は、交差点Ｐで光結合可能に接続されている。なお、この交差点Ｐで互いに接続されている第１〜第３光導波路１２，１４及び１６の端部のことを、「始端部」と称する。また、始端部とは反対側の端部のことを「終端部１２ａ，１４ａ及び１６ａ」と称する。

Ｙ分岐光導波路１８は、好ましくは例えば、Ｓｉを材料として形成されており、Ｙ分岐光導波路１８を構成する第１〜第３光導波路１２，１４及び１６は、ＳｉＯ_２膜３０中に埋め込まれている。光伝播方向に直交する平面で切断したＹ分岐光導波路１８の横断面形状は、好ましくは例えば、略正方形状とする。また、その寸法は、高さ（第１主面２８ａに垂直に測った長さ）が、好ましくは例えば約０．３μｍとし、幅（光伝播方向に垂直であり、かつ、第１主面２８ａに平行な方向に測った長さ）が、好ましくは例えば約０．３μｍとする。

次に、Ｙ分岐光導波路１８を構成する各光導波路１２，１４及び１６について詳細に説明する。

第１光導波路１２は、交差点Ｐと、半導体光増幅器２６との間を接続する光導波路である。この実施の形態では、第１光導波路１２は、直線的に延在している。第１光導波路１２の終端部１２ａは、半導体光増幅器２６の活性層と、光界分布の位置が一致するように配置されている。つまり、第１光導波路１２の終端部１２ａは、光結合可能な数μｍ程度の間隔を空けて、半導体光増幅器２６の活性層に対向配置されている。

第２及び第３光導波路１４及び１６は、交差点Ｐにおいて、第１光導波路１２から対称的に分岐して延在している。ここで、図２を参照して、交差点Ｐ付近における第２及び第３光導波路１４及び１６の配置について説明する。図２は、Ｙ分岐光導波路１８の要部拡大平面図である。

図２に示すように、第１〜第３光導波路１２，１４及び１６の中心軸のなす角度をそれぞれα，β，γとする。このとき、好ましくは例えば、α＝β≒０．５°であり、γ≒０．５°とする。第１〜第３光導波路１２，１４及び１６をこのような角度配置にすることにより、第２光導波路１４（第３光導波路１６）を交差点Ｐに向かって伝播する光を、第３光導波路１６（第２光導波路１４）に回り込ませることなく、第１光導波路１２へと伝播させることができる。

再び、図１に戻って、第２及び第３光導波路１４及び１６について説明する。

第２及び第３光導波路１４及び１６は、第１光導波路１２の中心軸の延長線Ｃに対して、線対称に形成されている。従って、第２及び第３光導波路１４及び１６の光路長は、同一である。

より詳細には、第２及び第３光導波路１４及び１６は、交差点Ｐ付近の略Ｓ字形に屈曲した屈曲領域と、この屈曲領域に接続され互いに平行な２本の直線領域とを有している。この直線領域に、後述する第１〜第３マッハツェンダ干渉器１９，２０及び２１が設けられている。より詳細には、第２光導波路１４の直線領域に第１及び第２マッハツェンダ干渉器１９及び２０が設けられている。そして、第３光導波路１６の直線領域に第３マッハツェンダ干渉器２１が設けられている。

また、第２及び第３光導波路１４及び１６の終端部１４ａ及び１６ａ間は、曲がり導波路２２で光結合可能に接続されている。その結果、第２及び第３光導波路１４及び１６と曲がり光導波路２２とで第１周回型光導波路３２が形成されている。

曲がり光導波路２２は、上述したように、第２及び第３光導波路１４及び１６の終端部１４ａ及び１６ａ間を接続する湾曲した光導波路である。曲がり光導波路２２は、第２及び第３光導波路１４及び１６と一体的に形成されている。

従って、曲がり光導波路２２を構成する材料は、第２及び第３光導波路１４及び１６と同様にＳｉである。また、曲がり光導波路２２の光伝播方向に垂直な面で切断した横断面の形状及び寸法も第２及び第３光導波路１４及び１６と同様である。

曲がり光導波路２２は、基板２８の外側に向かって凸に湾曲している。曲がり光導波路２２の平面形状は、この実施の形態では、好ましくは例えば半円状とする。曲がり光導波路２２の曲率半径は、伝播する光のロスが実用上許容できるレベルに抑えられる大きさとする。この実施の形態のようにクラッドとしてＳｉＯ_２を用い、曲がり光導波路２２としてＳｉを用いた場合には、曲率半径は、好ましくは例えば、約０．３ｍｍとする。

続いて、第１〜第３マッハツェンダ干渉器１９，２０及び２１について説明する。

まず始めに、図３を参照して、第１〜第３マッハツェンダ干渉器１９，２０及び２１に共通した構造について、第１マッハツェンダ干渉器１９を代表として説明する。図３は、第１マッハツェンダ干渉器１９の拡大平面図である。

なお、以下の説明を第２及び第３マッハツェンダ干渉器２０及び２１に当てはめる場合には、「１９」との符合を「２０」（第２マッハツェンダ干渉器）又は「２１」（第３マッハツェンダ干渉器）と置き換えればよい。

第１マッハツェンダ干渉器１９は、２個のＹ分岐光導波路１９ａ及び１９ｂと、これらのＹ分岐光導波路１９ａ及び１９ｂの間を接続する２本の光路１９ｃ及び１９ｄと、光路１９ｃに設けられた電極１９ｅとを備えている。

２本の光路１９ｃ及び１９ｄは、それぞれの光路長が異なっている。ここで、光路１９ｃ及び１９ｄの光路長をそれぞれＬ１９ｃ及びＬ１９ｄとする。この例では、光路長に関していえば、Ｌ１９ｄ＞Ｌ１９ｃという大小関係が成り立っている。さらに、光路１９ｃと１９ｄとの間の光路長差をΔＬ１９（＝Ｌ１９ｄ−Ｌ１９ｃ）とする。

電極１９ｅは、光路１９ｃの上面に設けられている。ここで、電極１９ｅの光伝播方向に沿った長さ（電極長）をＬｅ１９とする。電極１９ｅに、電圧を印加することにより、熱光学効果や電気光学効果に基づいて、光路１９ｃの屈折率を変化させる。これにより、光路１９ｃの光路長Ｌ１９ｃを制御する。詳細は（波長チューニングについて）の項で説明するが、電極１９ｅは、光共振器１０の選択波長を変化させる場合に使用する。

従来周知の通り第１マッハツェンダ干渉器１９は、光路長Ｌ１９ｃ及びＬ１９ｄが異なる２本の光路１９ｃ及び１９ｄにＹ分岐光導波路１９ａを介して光を等分配して伝播させる。これにより、光路１９ｃ及び１９ｄをそれぞれ伝播する光には、光路長差ΔＬ１９に対応する位相差が生じる。

これらの光をＹ分岐光導波路１９ｂにおいて合波すると、生じた位相差に応じて、光同士が打ち消し合う場合と、強め合う場合とが生じる。第１マッハツェンダ干渉器１９は、この現象を利用して、Ｙ分岐光導波路１９ａから入力された光の波長選択を行う波長選択手段として機能する。

続いて、第１〜第３マッハツェンダ干渉器１９，２０及び２１の相互の関係、特に、光路長及び電極の長さの関係について説明する。

まず始めに、最も一般的な場合、つまり、第２及び第３光導波路１４及び１６に、ｎ個のマッハツェンダ干渉器、すなわち第１〜第ｎマッハツェンダ干渉器が設けられている場合について説明する。なお、一般的な説明における「第１マッハツェンダ干渉器」は、「第１マッハツェンダ干渉器１９」とは異なる概念であることに留意いただきたい。

今、光路長が最も短い第１マッハツェンダ干渉器を構成する２本の光路の間の光路長差をΔＬ１とし、この第１マッハツェンダ干渉器に設けられた電極の電極長をＬｅ１とする。

このとき、第ｉマッハツェンダ干渉器（ｉは、１≦ｉ≦ｎの整数）を構成する２本の光路の間の光路長差ΔＬｉは、ΔＬｉ＝ΔＬ１×２^ｉ−１で与えられ、及び、第ｉマッハツェンダ干渉器に設けられた電極長Ｌｅｉは、Ｌｅｉ＝Ｌｅ１×２^ｉ−１で与えられるように、第１〜第ｎマッハツェンダ干渉器はそれぞれ設計されている。

上述した一般的な説明を、この実施の形態に当てはめて、より詳細に説明する。

ここで、第２マッハツェンダ干渉器２０の２本の光路２０ｃ及び２０ｄの間の光路長差をΔＬ２０とし、及び光路２０ｃに設けられる電極２０ｅの電極長をＬｅ２０とする。同様に、第３マッハツェンダ干渉器２１の２本の光路２１ｃ及び２１ｄの間の光路長差をΔＬ２１とし、及び光路２１ｃに設けられる電極２１ｅの電極長をＬｅ２１とする。

このとき、上述した式（ΔＬｉ＝ΔＬ１×２^ｉ−１）を用いると、ΔＬ２０は、ΔＬ１９から、ΔＬ２０＝ΔＬ１９×２^２−１＝２ΔＬ１９で与えられる。同様に、ΔＬ２１は、ΔＬ２１＝ΔＬ１９×２^３−１＝４ΔＬ１９で与えられる。

つまり第２マッハツェンダ干渉器２０の光路長差ΔＬ２０は、第１マッハツェンダ干渉器１９の光路長差ΔＬ１９の２倍（２^１倍）の大きさであり、及び第３マッハツェンダ干渉器２１の光路長差ΔＬ２１は、第１マッハツェンダ干渉器１９の光路長差ΔＬ１９の４倍（２^２倍）の大きさである。

光路長差と同様にして電極長についても、上述した式（Ｌｅｉ＝Ｌｅ１×２^ｉ−１）を用いて計算すると、第２マッハツェンダ干渉器２０の電極長Ｌｅ２０は、第１マッハツェンダ干渉器１９の電極長Ｌｅ１９の２倍の長さとなる。また、第３マッハツェンダ干渉器２１の電極長Ｌｅ２１は、第１マッハツェンダ干渉器１９の電極長Ｌｅ１９の４倍の長さでとなる。

なお、第１〜第３マッハツェンダ干渉器１９，２０及び２１の作用については、（波長選択のメカニズム）の項でさらに詳しく説明する。

（動作）
次に、図１を参照して光共振器１０の動作について説明する。

半導体光増幅器２６から放射された光は、第１光導波路１２を伝播して、Ｙ分岐光導波路１８の分岐点Ｐに至る。分岐点Ｐにおいて、光は、第２光導波路１４と第３光導波路１６とに等分配される。

まず、分岐点Ｐから第２光導波路１４に分配された光は、第１マッハツェンダ干渉器１９及び第２マッハツェンダ干渉器２０を伝播することで波長選択される。ここで、波長選択されなかった光は、クラッドであるＳｉＯ_２膜３０中に放射される。

第１及び第２マッハツェンダ干渉器１９及び２０を伝播した光は、曲がり光導波路２２を伝播し、１８０°進行方向を変えられ、第３光導波路１６に至る。そして、第３光導波路１６に設けられた第３マッハツェンダ干渉器２１でさらに波長選択をされて、分岐点Ｐに戻ってくる。なお、第１〜第３マッハツェンダ干渉器１９，２０及び２１の波長選択のメカニズムについては後述する。

一方、分岐点Ｐから第３光導波路１６に分配された光は、第３光導波路に設けられた第３マッハツェンダ干渉器２１により波長選択される。そして、波長選択された光は曲がり光導波路２２を経て１８０°進行方向を変えられて第２光導波路１４へと至る。そして、第２光導波路１４に設けられた第２及び第１マッハツェンダ干渉器２０及び１９でさらに波長選択を受けた後に、交差点Ｐに戻る。

その結果、交差点Ｐには、第２光導波路１４→曲がり光導波路２２→第３光導波路１６と反時計回りに各光導波路を周回した光（「反時計回り光」と称する。）と、第３光導波路１６→曲がり光導波路２２→第２光導波路１４と時計回りに各光導波路を周回した光（「時計回り光」と称する。）とが戻ってくる。ここで、反時計回り光と時計回り光は、伝播方向が異なるだけで、共通の経路を伝播する。従って、交差点Ｐに戻って来た段階で、反時計回り光と時計回り光とは同一の位相を持つ。その結果、交差点Ｐで合流した反時計回り光と時計回り光とは、打ち消し合うことなく、足し合わされて合波される。

このようにして分岐点Ｐで合波された光は、第１光導波路１２、及び半導体光増幅器２６を経て、高反射膜２４で反射され、再び上述の経路を伝播する。

つまり、高反射膜２４と、第１周回型光導波路３２との間で光を往復させながら増幅する光共振器１０が形成される。増幅された光が所定の強度を超えると、高反射膜２４を透過して、外部に出射される。

（波長選択のメカニズム）
ここで、主に図４（Ａ）〜（Ｃ）を参照して、第１〜第３マッハツェンダ干渉器１９，２０及び２１の波長選択のメカニズムについて説明する。

図４（Ａ）は、第１〜第３マッハツェンダ干渉器１９，２０及び２１のそれぞれの波長選択特性を示す模式図である。図４（Ｂ）は、第１〜第３マッハツェンダ干渉器１９，２０及び２１の合成波長選択特性を示す模式図である。図４（Ｃ）は、図４（Ｂ）に、さらに、光共振器１０のファブリペロ共振波長を描き加えて示す模式図である。図４（Ａ）〜（Ｃ）のいずれも縦軸は光強度（任意単位）を示し、横軸は波長（任意単位）を示す。

図４（Ａ）には、３本の曲線が描かれている。曲線Ｉ，ＩＩ及びＩＩＩのそれぞれは、第１〜第３マッハツェンダ干渉器１９，２０及び２１のＹ分岐光導波路１９ａ，２０ａ及び２１ａに全ての波長を含む白色光を入射させたときの、Ｙ分岐光導波路１９ｂ，２０ｂ及び２１ｂから出力される光の波長と強度との関係、つまり、第１〜第３マッハツェンダ干渉器１９，２０及び２１の波長選択特性を示している。

曲線Ｉ〜ＩＩＩのいずれも、一定の波長間隔でピークが繰り返されている。ただし、ピークが繰り返される波長間隔は、曲線Ｉ〜ＩＩＩで異なっており、曲線Ｉ→曲線ＩＩ→曲線ＩＩＩの順番でピークの波長間隔が短くなっている。

このピークの波長間隔のことを一般に、既に説明した従来公知のＦＳＲと称する。ここで、曲線Ｉで示した第１マッハツェンダ干渉器１９のＦＳＲをＦＳＲ１９と称する。曲線ＩＩで示した第２マッハツェンダ干渉器２０のＦＳＲをＦＳＲ２０と称する。曲線ＩＩＩで示した第３マッハツェンダ干渉器２１のＦＳＲをＦＳＲ２１と称する。

ところで、マッハツェンダ干渉器のＦＳＲは、従来周知の下記式（１）で与えられることが知られている。

ＦＳＲ＝λ^２／（２ｎｓΔＬ）・・・（１）
ここで、λは、マッハツェンダ干渉器から出力される光の波長を表わす。また、ｎｓはマッハツェンダ干渉器を構成する材料の屈折率を表わす。さらにΔＬは、マッハツェンダ干渉器の２本の光路の光路長差を表わす。

式（１）から明らかなように、他の条件が一定の場合、マッハツェンダ干渉器の光路長差ΔＬが２倍となると、ＦＳＲが半分（１／２）になることが分かる。

この関係を、光路長差ΔＬ１９，ΔＬ２０及びΔＬ２１を有する第１〜第３マッハツェンダ干渉器１９，２０及び２１に当てはめると、第１〜第３マッハツェンダ干渉器１９，２０及び２１は、光路長差ΔＬ１９，ΔＬ２０及びΔＬ２１が、この順序で２倍ずつ増加していく。

従って、図４（Ａ）に示すように、ＦＳＲ１９，ＦＳＲ２０及びＦＳＲ２１は、この順序で１／２ずつ減少していく。つまり、ＦＳＲ１９／４＝ＦＳＲ２０／２＝ＦＳＲ２１との関係が成り立つ。

この実施の形態の光共振器１０では、３個のマッハツェンダ干渉器１９，２０及び２１に順に光を伝播させるので、図４（Ａ）に示した３本の曲線Ｉ〜ＩＩＩを合成した波長が選択されることになる。

第１〜第３マッハツェンダ干渉器１９，２０及び２１は、光路長差ΔＬ１９，ΔＬ２０及びΔＬ２１と、光路長Ｌ１９ｃ，Ｌ２０ｃ及びＬ２１ｃとが上述したように、この順序で２倍ずつ増加している。その結果、図４（Ａ）に示すように、曲線Ｉ〜ＩＩＩの３個のピークは、ある波長λＳで一致することとなる。

その結果、図４（Ｂ）に示すように、この３個のピークが一致した波長λＳが波長選択される。つまり、第１〜第３マッハツェンダ干渉器１９，２０及び２１に光を伝播させることで、光共振器１０では、波長λＳの光が選択されることになる。

次に、図４（Ｃ）を参照して、さらに詳細に、光共振器１０における選択波長について説明する。

上述したように、光共振器１０では、高反射膜２４と第１周回型光導波路３２との間で光共振器、すなわちファブリペロ光共振器が形成されている。従って、光共振器１０から実際に出力される光は、このファブリペロ光共振器で許される縦モード波長を有する光に限定される。

図４（Ｃ）には、図４（Ｂ）に重ねて、ファブリペロ光共振器の縦モード波長を示した。図４（Ｃ）に示すように、光共振器１０からは、図４（Ｂ）の第１〜第３マッハツェンダ干渉器１９，２０及び２１による選択波長λＳに最も近く、それゆえ、光共振器１０における損失が最も少ない波長λＳＳの光が出力されることとなる。

次に、図５を参照して、この光共振器１０におけるサイドモード抑制比Ｒについて説明する。図５は、光共振器１０のサイドモード抑制比Ｒの説明に供する図である。

サイドモード抑制比Ｒとは、図４（Ｃ）に示すように、光共振器１０の選択波長λＳＳの光強度に対する、この選択波長λＳＳに隣接する縦モード波長λ’の光強度の比率を表わす量である。サイドモード抑制比Ｒは、光共振器１０の波長選択の急峻さを表わしている。

図５の縦軸は、サイドモード抑制比Ｒ（ｄＢ）を示し、横軸は、半導体光増幅器２６の発光の閾値電流密度Ｊ_ｔｈで規格化した、半導体光増幅器２６に対する電流密度（Ｊ／Ｊ_ｔｈ）（無次元）を示している。

図５には、光共振器１０に設けるマッハツェンダ干渉器の段数ｎ、及び半導体光増幅器２６の自然放出結合係数Ｃｓを変えた４本の曲線Ｉ〜ＩＶが描かれている。ここで、自然放出結合係数Ｃｓとは、半導体光増幅器２６の構造及び組成により定まる係数である。なお、図５の計算を行うに当たり、半導体光増幅器２６の光伝播方向に沿った長さは０．３ｍｍと仮定している。

図５を参照すると、同じ自然放出係数Ｃｓ同士で比較した場合、すなわち、曲線Ｉと曲線ＩＩＩ、及び曲線ＩＩと曲線ＩＶとを比較したとき、マッハツェンダ干渉器の段数ｎが増加すると、サイドモード抑制比Ｒが向上していることが分かる。

通常、マッハツェンダ干渉器の段数ｎが増加すると、光共振器１０の光路長が増加することになるので、縦モードの波長間隔が狭まり、サイドモード抑制比Ｒは悪化することが知られている。しかし、図５から明らかなように、この実施の形態の光共振器１０の場合には、これとは逆に、サイドモード抑制比が向上する傾向を示している。

これは、マッハツェンダ干渉器の段数が増加したことにより生じる縦モード間隔が狭まる効果よりも、マッハツェンダ干渉器の段数が増加したことにより生じる選択波長帯域が狭まる効果が上回っていることを示している。

通常、サイドモード抑制比Ｒは、３０ｄＢ以上が好ましいことが知られている。図５から明らかなように、曲線ＩＶ、すなわち自然放出計数Ｃｓ＝１０^−５かつマッハツェンダ干渉器の段数が５段の場合に、計算を行ったほぼ全ての（Ｊ／Ｊ_ｔｈ）の範囲でサイドモード抑制比Ｒが３０ｄＢ以上の良好な結果を示している。

（波長チューニングについて）
続いて、光共振器１０の波長チューニング、すなわち選択波長を変化させることについて説明する。

一般に、マッハツェンダ干渉器を用いた波長チューニングを行う場合、波長チューニング量Δλは、下記式（２）で与えられることが知られている。

Δλ＝λΔｎｓＬｅ／（−ｎｓΔＬ）・・・（２）
ここで、Ｌｅは、マッハツェンダ干渉器に設けられる電極の光伝播方向に沿った長さを示す。

式（２）から、この実施の形態に示すような多段のマッハツェンダ干渉器１９，２０及び２１を備えた光共振器１０では、各電極１９ｅ，２０ｅ及び２１ｅを用いて光路１９ｃ，２０ｃ及び２１ｃに共通した等しい屈折率変化Δｎｓを生じることができれば、各マッハツェンダ干渉器１９，２０及び２１で、等しい波長変化Δλを得ることができる。すなわち、波長チューニングを行うことができることが分かる。

また、式（１）及び式（２）から、この実施の形態の光共振器１０の寸法を概算することができる。

例えば、波長チューニング量Δλを５０ｎｍとする場合には、この範囲に他の選択波長ピークが存在すると実質的な波長チューニング量が減少してしまうために、ＦＳＲを５０ｎｍ以上と設定する必要がある。

この条件に加えて、Ｙ分岐光導波路１８、第１〜第３マッハツェンダ干渉器１９，２０及び２１、並びに曲がり光導波路２２がＳｉで形成されており、ｎｓ≒３と仮定すると、式（１）より、ΔＬ≒８λが得られる。

さらに、Δｎｓを、Ｓｉでの一般的な値であるΔｎｓ≒０．０１と仮定すると、式（２）より、Ｌｅ≒５０λが得られる。ここで、λを、光通信分野で一般的な１．５５μｍとした場合、第１周回型光導波路３２の寸法は約１．５ｍｍ程度に収まる。

（効果）
（１）この実施の形態の光共振器１０は、第１〜第３マッハツェンダ干渉器１９，２０及び２１に設けられた電極１９ｅ，２０ｅ及び２１ｅに印加する電圧を変化させることで、光路１９ｃ，２０ｃ及び２１ｃの屈折率を変化させ、これにより、選択波長のチューニングを行う。つまり、光路１９ｃ，２０ｃ及び２１ｃの屈折率という単独のパラメータを変化させることで波長の制御を簡単に行うことができる。

（２）また、この実施の形態の光共振器１０は、非特許文献１に開示された技術に比べて、より小型に形成することができる。

（３）また、この実施の形態では、第２光導波路１４に、第１及び第２マッハツェンダ干渉器１９及び２０を設け、第３光導波路１６に、光伝播方向に沿った長さが最も長い第３マッハツェンダ干渉器２１を設けている。このような配置でマッハツェンダ干渉器１９，２０及び２１を配置することにより、第２又は第３光導波路１４又は１６の一方のみに全てのマッハツェンダ干渉器１９，２０及び２１を設ける場合に比較して、光共振器１０の全長を大幅に短くすることができる。

なお、マッハツェンダ干渉器がｎ個の場合についても同様である。第１〜第ｎマッハツェンダ干渉器は、この順序で全長が２倍ずつ大きくなっている。従って、第１〜第ｎ−１マッハツェンダ干渉器の全長の総和は、第ｎマッハツェンダ干渉器の全長とほぼ等しくなる。従って、第１〜第ｎ−１マッハツェンダ干渉器を第２光導波路１４に設け、及び第ｎマッハツェンダ干渉器を第３光導波路１６に設けることにより、第１〜第ｎマッハツェンダ干渉器を、第２又は第３光導波路のいずれか一方のみに設ける場合に比較して、光共振器の全長を約半分に抑えることができる。

（変形例等）
この実施の形態においては、第１〜第３マッハツェンダ干渉器１９，２０及び２１にＹ分岐光導波路１９ａ，１９ｂ，２０ａ，２０ｂ，２１ａ及び２１ｂを用いた場合を説明した。

しかし、第１〜第３マッハツェンダ干渉器１９，２０及び２１において、各光路に光を分岐させる手段はＹ分岐光導波路には限定されない。

例えば、図６に示すように、Ｙ分岐光導波路の代わりに、２×２カプラ３４ａ，３４ｂ，３６ａ，３６ｂ，３８ａ及び３８ｂを用いてもよい。この場合２×２カプラ３４ａ，３４ｂ，３６ａ，３６ｂ，３８ａ及び３８ｂとしては、多モード干渉光カプラ又は方向性結合器を用いることができる。

この場合、２×２カプラ３４ｂ，３６ｂ及び３８ａに接続された２本の出力導波路のうち、片方は、基板２８の外部に不要な光を捨てるための排出用光導波路３４ｃ，３６ｃ及び３８ｃとなる。

このような構成にした場合、排出用光導波路３４ｃ，３６ｃ及び３８ｃから排出される光の波長をモニターすることにより、第１〜第３マッハツェンダ干渉器１９，２０及び２１で選択されている波長を知ることが可能となる。

（実施の形態２）
続いて、図７〜図９を参照して、実施の形態２の光共振器４０について説明する。

なお、図７において、図１と同様の構成要素には同符号を付し、その説明を省略することもある。

図７を参照すると、光共振器４０は、曲がり光導波路２２（図１）が、第２周回型光導波路４２に変更されている以外は、実施の形態１の光共振器１０と同様の構成を有している。従って、以下の説明では、主にこの相違点について説明する。

光共振器４０は、第２光導波路１４及び第３光導波路１６の終端部１４ａ及び１６ａの間を光結合可能に接続する光結合導波路として第２周回型光導波路４２を用いている。そして、第２周回型光導波路４２と、第２及び第３光導波路１４及び１６の終端部１４ａ及び１６ａとの間の光の結合領域に、近接配置された第２周回型光導波路４２と、第２及び第３光導波路１４及び１６とを備えた方向性結合器４４及び４６が設けられている。

第２周回型光導波路４２は、無終端で略円形のリング共振器である。第２周回型光導波路４２は、第２及び第３光導波路１４及び１６の終端部１４ａ及び１６ａの間のＳｉＯ_２膜３０中に埋め込まれて延在している。第２周回型光導波路４２は、好ましくは例えば、Ｓｉを材料として形成されている。第２周回型光導波路４２の光伝播方向に垂直な横断面の形状は、第１〜第３光導波路１２，１４及び１６と同様とする。また、第２周回型光導波路４２の曲率半径は、光共振器４０の選択波長により任意好適な大きさに設定できるが、この例では、好ましくは例えば約０．３ｍｍとする。

方向性結合器４４は、終端部１４ａ付近において、光結合可能に近接配置された第２光導波路１４及び第２周回型光導波路４２から構成されている。方向性結合器４４は、（１）第２光導波路１４を伝播する光を第２周回型光導波路４２に結合する機能と、（２）第２周回型光導波路４２を伝播する光を第２光導波路１４に結合する機能とを有している。

方向性結合器４６は、終端部１６ａ付近において、光結合可能に近接配置された第３光導波路１６及び第２周回型光導波路４２から構成されている。方向性結合器４６は、（１）第２光導波路１６を伝播する光を第２周回型光導波路４２に結合する機能と、（２）第２周回型光導波路４２を伝播する光を第２光導波路１６に結合する機能とを有している。

（動作）
半導体光増幅器２６から放射された光は、第１光導波路１２を伝播して、分岐点Ｐに至る。分岐点Ｐにおいて、光は、第２光導波路１４と第３光導波路１６とに等分配される。

まず、第２光導波路１４に分配された光は、第１マッハツェンダ干渉器１９及び第２マッハツェンダ干渉器２０を伝播することで波長選択される。ここで、波長選択されなかった光は、クラッドであるＳｉＯ_２膜３０中に放射される。

第１及び第２マッハツェンダ干渉器１９及び２０を伝播した光は、方向性結合器４４により、第２周回型光導波路４２に結合される。第２周回型光導波路４２に結合された光の中で、リングを１周したときに位相が揃う波長の光のみが第２周回型光導波路４２の共振条件を満たし、強度が増加していく。それ以外の光は、クラッドとしてのＳｉＯ_２膜３０に捨てられる。

第２周回型光導波路４２の共振条件を満たした光は、方向性結合器４６において、第３光導波路１６に結合される。そして、第３光導波路１６に設けられた第３マッハツェンダ干渉器２１でさらに波長選択をされて、分岐点Ｐに戻ってくる。

一方、第３光導波路１６に分配された光は、第３光導波路に設けられた第３マッハツェンダ干渉器２１により波長選択される。そして、方向性結合器４６により、第２周回型光導波路４２に結合される。第２周回型光導波路４２に結合された光の中で、リングを１周したときに位相が揃う波長の光のみが第２周回型光導波路４２の共振条件を満たし、強度が増加していく。それ以外の光は、クラッドとしてのＳｉＯ_２膜３０に捨てられる。

第２周回型光導波路４２の共振条件を満たした光は、方向性結合器４４において、第２光導波路１４に結合される。そして、第２光導波路１４に設けられた第２及び第１マッハツェンダ干渉器２０及び１９でさらに波長選択を受けた後に、交差点Ｐに戻る。

交差点Ｐには、第２光導波路１４→第２周回型光導波路４２→第３光導波路１６と反時計回りに各光導波路を周回した光（「反時計回り光」と称する。）と、第３光導波路１６→第２周回型光導波路４２→第２光導波路１４と時計回りに各光導波路を周回した光（「時計回り光」と称する。）とが戻ってくる。ここで、反時計回り光と時計回り光は、共通の経路を伝播する。従って、交差点Ｐに戻って来た段階で、反時計回り光と時計回り光とは同一の位相を持つ。その結果、交差点Ｐで合流した反時計回り光と時計回り光とは、打ち消し合うことなく、足し合わされて合波される。

このようにして分岐点Ｐで合波された光は、第１光導波路１２、及び半導体光増幅器２６を経て、高反射膜２４で反射され、再び上述の経路を伝播する。

つまり、高反射膜２４→第２光導波路１４（第３光導波路１６）→第２周回型光導波路４２→第３光導波路１６（第２光導波路１４）→高反射膜２４との経路で光を往復させながら増幅する光共振器４０が形成される。増幅された光が所定の強度を超えると、高反射膜２４を透過して、外部に出射される。

（波長選択のメカニズム）
光共振器４０は、第２周回型光導波路４２をリング共振器として備えている。その結果、波長選択手段として、第１〜第３マッハツェンダ共振器１９，２０及び２１のみを備えていた光共振器１０に比較して、より波長選択性が向上する。

以下この点について、図８（Ａ）〜（Ｃ）を参照して説明する。

図８（Ａ）は、図４（Ｂ）と同様の図であり、光共振器１０の波長選択特性、すなわち第１〜第３マッハツェンダ干渉器１９，２０及び２１の合成波長選択特性を示す模式図である。図８（Ｂ）は、第２周回型光導波路４２の波長選択特性を示す模式図である。図８（Ｃ）は、第１〜第３マッハツェンダ干渉器１９，２０及び２１と第２周回型光導波路４２の合成波長選択特性を示す模式図である。図８（Ａ）〜（Ｃ）のいずれも縦軸は光強度（任意単位）を示し、横軸は波長（任意単位）を示す。

図８（Ｂ）を参照すると、第２周回型光導波路４２の波長選択特性は、従来周知のリング共振器の波長選択特性と同様であり、等波長間隔で鋭いピークを有している。

光共振器４０全体としての波長選択特性は、図８（Ａ）と図８（Ｂ）とを合成した図８（Ｃ）で与えられる。これを、実施の形態１の光共振器１０の波長選択特性（図８（Ａ））と比較すると、明らかに光共振器４０の波長選択特性が向上していることが分かる。

光共振器４０において、波長選択特性が向上していることについて、図９を参照してさらに説明する。

図９は、光共振器４０のサイドモード抑制比Ｒを示す模式図である。縦軸は、サイドモード抑制比Ｒ（ｄＢ）を示し、横軸は、半導体光増幅器２６の発光の閾値電流密度Ｊ_ｔｈで規格化した、半導体光増幅器２６に対する電流密度（Ｊ／Ｊ_ｔｈ）（無次元）を示している。

図９には、図５と同じ条件で描かれた４本の曲線Ａ〜Ｄが描かれている。すなわち、曲線Ａは図５の曲線Ｉと同じｎ及びＣｓであり、曲線Ｂは図５の曲線ＩＩと同じｎ及びＣｓであり、曲線Ｃは図５の曲線ＩＩＩと同じｎ及びＣｓであり、並びに曲線Ｄは図５の曲線ＩＶと同じｎ及びＣｓである。

図９及び図５を比較すると、図８ではサイドモード抑制比Ｒが、図５に比較して全体に１０〜１５ｄＢ向上していることがわかる。つまり、第２周回型光導波路４２を設けることで、光共振器１０に比較して光共振器４０の波長選択特性が向上していることが確認できる。

（効果）
この実施の形態の光共振器４０は、実施の形態１の光共振器１０と同様の効果を奏するとともに、第２周回型光導波路４２を備えているので、実施の形態１の光共振器１０よりも、さらに優れた波長選択特性を示す。

（変形例）
この実施の形態の光共振器４０は、実施の形態１の光共振器１０と同様の変形が可能である。

実施の形態１の光共振器の構成を概略的に示す斜視図である。 実施の形態１のＹ分岐光導波路の要部拡大平面図である。 実施の形態１の第１マッハツェンダ干渉器の拡大平面図である。 （Ａ）は、第１〜第３マッハツェンダ干渉器のそれぞれの波長選択特性を示す模式図である。（Ｂ）は、第１〜第３マッハツェンダ干渉器の合成波長選択特性を示す模式図である。（Ｃ）は、（Ｂ）に、さらに、光共振器のファブリペロ共振波長を描き加えて示す模式図である。 実施の形態１の光共振器のサイドモード抑制比Ｒの説明に供する図である。 実施の形態１の光共振器の変形例を示す斜視図である。 実施の形態２の光共振器の構成を概略的に示す斜視図である。 （Ａ）は、実施の形態１の光共振器の波長選択特性を示す模式図である。（Ｂ）は、第２周回型光導波路の波長選択特性を示す模式図である。（Ｃ）は、第１〜第３マッハツェンダ干渉器と第２周回型光導波路の合成波長選択特性を示す模式図である。 実施の形態２の光共振器のサイドモード抑制比Ｒを示す模式図である。

符号の説明

１０，４０ 光共振器
１２ 第１光導波路
１２ａ，１４ａ，１６ａ 終端部
１４ 第２光導波路
１６ 第３光導波路
１８，１９ａ，１９ｂ，２０ａ，２０ｂ，２１ａ，２１ｂ Ｙ分岐光導波路
１９ 第１マッハツェンダ干渉器
１９ｃ，１９ｄ，２０ｃ，２０ｄ，２１ｃ，２１ｄ 光路
１９ｅ，２０ｅ，２１ｅ 電極
２０ 第２マッハツェンダ干渉器
２１ 第３マッハツェンダ干渉器
２２ 曲がり光導波路
２４ 高反射膜
２６ 半導体光増幅器
２８ 基板
２８ａ 第１主面
３０ ＳｉＯ_２膜
３２ 第１周回型光導波路
３４ａ，３４ｂ，３６ａ，３６ｂ，３８ａ，３８ｂ ２×２カプラ
３４ｃ，３６ｃ，３８ｃ 排出用光導波路
４２ 第２周回型光導波路
４４，４６ 方向性結合器

Claims (8)

1. 第１、第２及び第３光導波路が交差点で接続されたＹ分岐光導波路を用いた光共振器であって、
   前記第１光導波路の終端部に高反射膜が設けられていて、前記第２及び第３光導波路の双方又はいずれか一方に、波長選択手段を備えており、
   前記第２光導波路及び前記第３光導波路の終端部間を光結合可能に接続する光結合導波路が設けられていることを特徴とする光共振器。
2. 前記光結合導波路が、前記第２光導波路の終端部と、前記第３光導波路の終端部とを接続する曲がり光導波路であり、
   該曲がり光導波路と、前記第２及び第３光導波路とで第１周回型光導波路が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光共振器。
3. 前記光結合導波路が、第２周回型光導波路であり、前記第２及び第３光導波路の終端部のそれぞれが、当該第２周回型光導波路と光結合可能に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の光共振器。
4. 前記第２周回型光導波路と前記第２及び第３光導波路の終端部との間の光の結合領域に、近接配置された前記第２周回型光導波路と前記第２及び第３光導波路とを備えた方向性結合器が設けられていることを特徴とする請求項３に記載の光共振器。
5. 前記波長選択手段がマッハツェンダ干渉器であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の光共振器。
6. 第１〜第ｎマッハツェンダ干渉器（ｎは２以上の整数）が設けられており、
   第１マッハツェンダ干渉器を構成する２本の光路の間の光路長差をΔＬ１とし、該第１マッハツェンダ干渉器に設けられた電極の電極長をＬｅ１としたときに、
   第ｉマッハツェンダ干渉器（ｉは、１≦ｉ≦ｎの整数）を構成する２本の光路の間の光路長差ΔＬｉ、及び、該第ｉマッハツェンダ干渉器に設けられた電極長Ｌｅｉが、下記式で与えられることを特徴とする請求項５に記載の光共振器。
   ΔＬｉ＝ΔＬ１×２^ｉ−１
   Ｌｅｉ＝Ｌｅ１×２^ｉ−１
7. 前記第１〜第ｎ−１マッハツェンダ干渉器が前記第２光導波路に設けられており、及び前記第ｎマッハツェンダ干渉器が前記第３光導波路に設けられていることを特徴とする請求項６に記載の光共振器。
8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の光共振器を用いた波長可変レーザであって、
   前記第１光導波路の終端部と、前記高反射膜との間に、光増幅器が介在されていることを特徴とする波長可変レーザ。
   
   

Images